CN112840083A - 螺纹桁架基础及相关系统、方法和机器 - Google Patents

Abstract

用于桁架基础系统的螺钉锚固件，用于支撑单轴跟踪器和其他结构，以及将这种螺钉锚固件驱动入地下的相关方法。直径均匀的中空管的两端开口，其螺纹形状从一端开始并且限制该管的部分，该螺纹形状具有渐缩的引入口。开放式几何形状允许心轴或凿岩机在驱动过程中插入并通过锚固件操作，以加快驱动过程。锥形螺纹形式提供了用于将锚固件驱动到岩孔中的引入口。

Description

螺纹桁架基础及相关系统、方法和机器

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：申请号62/702,879，于2018年7月24日提交，名称为“FOUNDATION PIERS FOR AXIAL SOLAR ARRAYS AND RELATED SYSTEMS ANDMETHODS(轴向太阳能阵列的基础桩及相关系统和方法)”；申请号62/718,780，于2018年8月14日提交，名称为“FOUNDATION PIERS FOR AXIAL SOLAR ARRAYS AND RELATED SYSTEMSAND METHODS(轴向太阳能阵列的基础桩及相关系统和方法)”；申请号62/726,909，于2018年9月4日提交，名称为“FOUNDATION PIERS FOR AXIAL SOLAR ARRAYS AND RELATEDSYSTEMS AND METHODS(轴向太阳能阵列的基础桩及相关系统和方法)”；申请号62/733,273，于2018年9月19日提交，名称为“FOUNDATION PIERS FOR AXIAL SOLAR ARRAYS ANDRELATED SYSTEMS AND METHODS(轴向太阳能阵列的基础桩及相关系统和方法)”；申请号62/748,083，于2018年10月19日提交，名称为“FOUNDATIONS FOR AXIAL SOLAR ARRAY ANDRELATED SYSTEMS AND METHODS(轴向太阳能阵列的基础及其相关系统和方法)”；申请号62/752,197，于2018年10月29日提交，名称为“SYSTEMS,METHODS AND MACHINES FORMANUFACTURING A FOUNDATION PILE(制造基础桩的系统、方法和机器)”；申请号62/756,028，于2018年11月5日提交，名称为“CLOSED LOOP FEEDBACK CONTROL FOR IMPROVEDSOLAR PILE DRIVING AND RELATED SYSTEMS,MACHINES AND CIRCUITS(改进的太阳能桩驱动的闭环反馈控制及相关系统、机器和电路)”；申请号16/416,022”，于2019年5月17日提交，名称为“THREADED TRUSS FOUNDATIONS AND RELATED SYSTEMS,METHODS,AND MACHINES(螺纹桁架基础及相关系统、方法和机器)”，这些申请的全部内容通过引用合并于本文。

背景技术

公用事业规模的太阳能发电厂主要配置为固定倾斜的地面安装阵列或单轴跟踪器。固定倾斜的阵列以东西取向面板排排列，向南倾斜，倾斜角度取决于阵列位置的纬度-距赤道越远，倾斜角度越陡。相比之下，单轴跟踪器安装在南北排中，太阳能电池板连接到称为扭矩管的旋转轴上，该扭矩管在每天时间进程中将面板从朝东的取向移动到朝西的取向，跟随太阳在天空中的前进。为了本公开的目的，固定倾斜跟踪器和单轴跟踪器两者统称为轴向太阳能电池阵列。

不包括土地购置成本，公用事业规模阵列的总项目成本包括场地准备(勘测，道路建设，水准测量，电网和水的连接等)，基础，跟踪器或固定倾斜硬件，太阳能电池板，逆变器和电气设备连接(导线管，布线，挖沟，电网接口等)。由于持续不断的创新和规模经济，这些成本中的许多成本在过去几年中已经下降，但是基础却是一个被广泛忽略的领域。基础提供了统一的结构界面，将系统耦合到地面。

当安装常规的单轴追踪器时，在场地准备好之后，将铅垂单桩以追踪器制造商和/或场地计划规定的规则间隔打入地面；随后，跟踪器系统的部件将连接到这些桩的头部。最常见的是，桩具有IH形的轮廓，但它们也可以是C形，甚至是箱形。在常规的大型单轴跟踪器阵列中，基础的采购和建造可能占系统总成本的5-10％。尽管份额相对较小，但与大量太阳能项目组合相比，与基础相关的钢铁和劳动力的任何节省都将是一笔可观的钱。此外，跟踪器开发交易通常在实际发生安装成本之前就锁定了一年或更长时间，因此，可以实现的任何交易后基础节省都将是已经计入支持项目建筑计算的利润之外的部分。

单桩在单轴跟踪器基础上占据市场的一个原因是其简单性。利用现有技术将单桩沿直线打入地面相对容易。尽管它们的设计本质上是浪费的，但它们相对较低的成本和可预测的性能使它们成为较昂贵的替代方案的明显选择。单桩的物理特性要求其尺寸过大，因为单个结构构件不能很好地抵抗弯曲力。当用于支撑单轴跟踪器时，作用在基础上的最大力不是来自部件的重量，而是撞击附着在阵列上的太阳能电池板上的风的总侧向力。该侧向力作为弯矩传递到单桩基础中。力矩的大小远大于由面板和跟踪器部件的重量引起的静态负载。因此，当用于支撑单轴跟踪器时，单桩基础必须超大尺寸并被深深打入地面以承受横向载荷。

市场上有单桩的替代品，但是到目前为止它们还没有成本竞争力。例如，在费用高昂的拒收占主导的非常困难的土壤中，某些太阳能安装人员将使用接地螺钉代替H桩。顾名思义，接地螺钉本质上是木螺钉或自攻金属螺钉的按比例放大的版本，具有细长的空心轴和锥形端部，其末端为刀片或尖端。螺钉还具有较大的外螺纹形式，从尖端开始延伸，逐渐变细，甚至部分向上延伸到轴，以使其在拧入地下时能与土壤接合。这种现有技术的接地螺钉例如在图1A中示出。除其他外，诸如1A中的接地螺钉10之类的接地螺钉由德国Strasskirchen的Krinner，GmbH制造和销售。当安装人员遇到岩石土壤或必须安装在基岩上时，他们会在每个接地螺钉的位置预钻孔，然后将螺钉打入预钻的孔中，将地上基础硬件连接到每个螺钉的头部。

当在单轴跟踪器的基础中使用时，通常将图1A中所示的接地螺钉以相邻对安装。该对通过一个倒置的T支架在地面之上连接，该支架为单轴跟踪器提供了单桩接口。例如，这在图1B的系统20中可见。位于佛罗里达州迈尔斯堡(Ft.Meyers)的TERRASMART使用Krinner接地螺钉安装系统20之类的基础。虽然这可以减轻拒绝的问题，但它并不能优化材料的节省，只会在较便宜的替代品行不通的地方勉强使用。支撑单轴跟踪器的垂直基础必须抵抗弯曲，无论是由H桩还是由接地螺钉制成。参考图2B，当风撞击阵列时，其产生在图中标记为F_L的侧向力。该力的大小等于F_L乘以基础固定到地面(例如，不移动)的点上方的桩高度。该力使铅垂基础部件弯曲。由于结构构件通常抗弯性较差，因此必须对其进行过度建造以承受弯曲。

敲击驱动的H桩和垂直接地螺钉的另一种建议的替代方法是使用一对以A形框架构造彼此成锐角驱动的接地螺钉。与图1B的铅垂单桩或双螺杆基础不同，A形框架的优势在于将侧向载荷转换为支腿拉伸和压缩轴向力。例如，这在公开的美国专利申请2018/0051915(以下称为“'915申请”)中可见。图1C显示了'915申请中描述的系统。从理论上讲，这样的系统可以使支腿比在1B系统中使用的支腿更细，因为支腿没有受到弯曲。图2C是一个力图，显示了如何在A形框架(如1C)中平移横向载荷。横向载荷F_L在上风支腿上施加拉力，在下风支腿上施加压力。系统30可能是对铅锤桩和平行接地螺钉的改进，但是，使用标准接地螺钉的任何系统相对于其他结构在成本上都是不利的。此外，接地螺钉的封闭几何形状要求在无法直接驱动的情况下执行单独的预钻孔步骤。因此，以目前的形式以及传统的旋转驱动和钻探设备，除了在最恶劣的土壤条件下，在其他任何地方，接地螺钉都不可能与单桩基础实现成本平价，即使在那些条件下，仍有明显的改进空间。

认识到这些和其他问题，本公开的各种实施方案的目的是提供一种用于单轴跟踪器和其他应用的桁架或A形框架基础，其以更便宜，更坚固，灵活的外形尺寸实现了接地螺钉的益处，以及用于安装此类基础的机器和方法。

附图说明

图1A示出了传统的接地螺钉；

图1B示出了用于单轴跟踪器的传统的双接地螺钉基础；

图1C示出了使用一对传统的接地螺钉的用于单轴跟踪器的陡峭的A形框架基础；

图2A是支撑单桩基础的接地螺钉；

图2B是示出在单桩基础中如何转移侧向载荷的力图；

图2C是示出在A形框架的基础上如何平移横向载荷的力图；

图3A-D示出了锥形接地螺钉的制造步骤；

图4A示出了根据本发明的各种实施方案的螺钉锚固件；

图4B是图4A的螺钉锚固件的螺纹端的近视图；

图4C示出了根据本发明的各种其他实施方案的螺钉锚固件；

图5A是根据本发明的各个实施方案的在驱动期间的螺钉锚固件和心轴的剖视图；

图5B示出了在心轴同时被锤击穿过螺钉锚固件的中心时被驱动的螺钉锚固件；

图6A示出了根据本发明的各种实施方案的一对相邻的螺钉锚固件，其被打入地下以形成桁架基础的基座；

图6B示出了根据本发明的各个实施方案的支撑单轴跟踪器的部分的完整的桁架基础；

图7A示出了根据本发明的各个实施方案的由于撞击基岩而在驱动时拒绝螺钉锚固件和心轴；

图7B示出了根据本发明的各个实施方案的用于原位拒绝缓解的过程的中间步骤；

图7C示出了根据本发明的各个实施方案的在原位拒绝缓解之后的7B的螺钉锚固件；

图7D示出了根据本发明的各种实施方案的在替代性原位拒绝缓解技术之后的7B的螺钉锚固件；

图8是示出根据本发明的各种实施方案的带钻头的钻杆的局部剖视图；

图9A-C示出了根据本发明的各种实施方案的可用于执行原位拒绝缓解的各种凿岩钻头；

图10A和图10B是根据本发明的各种实施方案的重型设备的侧视图和正视图，该重型设备具有用于安装螺钉锚固件的附件；

图11是根据本发明的各个实施方案的用于利用旋转驱动器和心轴驱动螺钉锚固件的附件的部分的视图；

图12是根据本发明的各个实施方案的用于通过旋转驱动器和螺钉锚固件来致动心轴的组件的分解图；

图13是根据本发明的各个实施方案的螺钉锚固件的部分；以及

图14A-C是根据本发明的各种实施方案的可与螺钉锚固件一起使用的螺旋螺母的各种视图。

具体实施方式

以下描述旨在通过提供涉及用于支撑单轴太阳能跟踪器的A形框架基础的多个特定实施方案和细节来传达对所描述实施方案的透彻理解。然而，应当理解，本发明不限于这些仅是示例性的具体实施方案和细节。还应理解，根据已知的系统和方法，本领域的普通技术人员将理解本发明用于其预期目的的用途。

如背景技术中所讨论的，接地螺钉是常规单桩(例如，H桩、L桩、柱子和水泥等)的一种替代。使用向下的压力和扭矩，通过旋转驱动将接地螺钉拧入地下，就像将螺钉拧入木头一样。通常，将它们驱动直到完全或几乎完全被掩埋，然后可以将其他硬件(例如安装支架、支柱或支撑件)连接到地面上剩余的部分，以支撑标牌、甲板、小型建筑框架和单轴太阳能追踪器以及其他结构。

像任何螺钉一样，接地螺钉的尖头至少具有两个功能：一个，它可使螺钉在插入点上精确定向，并提供引入口以帮助使其保持在适当路径上，并在驱动时将螺钉拉入地面。其次，当螺钉穿透时，尖头和锥度会增加螺纹周围的压力，从而帮助它们更好地抓紧土壤。尖端还可能将可能阻碍驱动的小石头移位。但是，所有这些好处都是在驱动中实现的。螺钉在地下后，由于其锥形的几何形状，尖端在抵抗轴向力方面作用不大，效果可能不如螺钉的其余部分。大型单轴跟踪器中很少使用接地螺钉的原因之一是，与H桩相比，它们制造起来相对困难且昂贵，因此成本更高。例如在图3A-D中示出了制造接地螺钉的过程。

该过程开始于将一段圆形的空心管切割成期望的长度。然后，将管的一端插入烤箱或电加热器中，直到达到超临界温度。然后将热端插入到收缩机中，该收缩机闭合尖端以形成锥度和尖头。一旦冷却，就会在管周围形成螺纹状的金属条，并将其焊接到管的表面。冷却后，将完成的螺钉镀锌以完成制造过程。这两个热成型步骤需要大量的输入能量，并且与冷加工中形成的等效结构相比，焊接螺纹的形式要昂贵得多。而且，中间的热步骤排除了使用已预镀锌的金属的可能性。制造后的镀锌比从预镀锌金属开始贵得多。

在很大程度上，安装和使用接地螺钉的方式要求这种昂贵的多步骤制造过程。螺钉需要一个尖端来辅助驱动，并且单桩必须建造过大以承受与螺钉轴线正交的弯曲力。'915申请中所示的系统通过将侧向载荷转换为拉伸和压缩轴向力来克服了后一个问题，但是，拉力和压力的大小呈指数增加，即支腿角度越陡(例如，桁架腿之间的顶点夹角越小)-在该'915申请中未认识到的事实。因此，即使1C中所示的基础可以避免弯曲，建议的陡角所产生的较大轴向力仍将要求相对于倾斜度较小的支腿或具有较大的顶点夹角的A形框架，将接地螺钉建造过大。而且，由于该系统是建立在接地螺钉上的，所以它仍然遭受本文讨论的固有的成本缺点。

本发明的发明人提出了一种基础系统，该基础系统特别适合于轴向太阳能电池阵列(例如，单轴跟踪器和固定倾斜的地面安装阵列)，该基础系统使用一对相邻的成角度支撑件，构造为成中度角度的A形框架(低于72.5度)，而不是单个垂直桩。该系统在商业上称为地球桁架(EARTH TRUSS)。图4A示出了基本的地球桁架部件，螺钉锚固件200。螺钉锚固件200包括细长管的一部分，该细长管沿其长度具有基本均匀的直径，该细长管在两端是开放的。这些是与常规接地螺钉的重要区别。螺钉锚固件200的底部或地下端具有外螺纹形式，该外螺纹形式开始于下端近处，随着其向上延伸，直径逐渐增大，直到其变平为均匀直径再旋转几圈。这在图4B中更详细地看到，其仅示出了锚固件200的螺纹部分210。如本文中更详细地讨论的，在驱动期间以及在进行原位拒绝缓解时，锥形引入口的重要性可能会表现出。4A中的示例性锚固件200的另一端具有连接部分220，在该实施例中，该连接部分被示出为联接件。连接部分220具有与旋转驱动器的卡盘啮合以使螺钉锚固件200能够被驱动的特征。连接部分220还具有至少一个联接特征，以使螺钉锚固件200能够连接到沿基本相同的轴线延伸的其他部件，以形成两件式支腿。

应当理解，在各个实施方案中，代替地，可以将分流特征冲压到螺钉锚固件200的上端中，而不是单独附接的元件的部分中。此外，凸轮和摩擦的结合或其他合适的机械技术可以使螺钉锚固件200旋转到地中，而没有内置在上端的任何驱动特征。在这样的实施方案中，可以使用单独的连接部分，或者可以在螺钉锚固件200上方的其他部件中内置联接元件。

图4C示出了根据本发明的各种其他实施方案的螺钉锚固件250。螺钉锚固件250与螺钉锚固件200的不同之处在于，螺钉锚固件250的尖端具有稍微的锥度，而不是在外螺纹形式上具有锥形的引线。尽管与螺钉锚固件200相比，制造成本可能更高，但只要锥形端的开口足够大，它就可以产生本文所述的锚固件200的所有其他优点。其他实施方案可以利用略带锥形的尖端和带锥形引入口的螺纹形式。

在各种实施方案中，将使用旋转驱动器或其他类似装置将诸如锚固件200或250的螺钉锚固件旋转到地面中。旋转驱动器可以从顶部旋转螺钉锚固件，或者可以部分或完全插入到桩中以从内部部分地旋转螺钉锚固件。因为本文所公开的各种螺钉锚固件的两端都是开放的，并且如本文中更详细地讨论的那样，所以有可能并且可能期望在驱动期间从上方将另一种工具从桩插入到桩的杆身中，以清理桩前方的路径，以增加螺纹形式周围的土壤压力，甚至在实心岩石中开挖一个空腔以容纳桩。

转到图5A和5B，本发明的各种实施方案利用了螺钉锚固件的开放几何形状来在驱动过程中将工具插入其中。在各种实施方案中，这些工具可以提供在传统的接地螺钉上的尖端的一些益处，但是由于空心体的缘故，在安装螺钉锚固件之后不需要保持在地面中。为此，图5A是局部剖开的视图，示出了示例性的螺钉锚固件200的部分，心轴300延伸穿过其中心。心轴300是细长构件，优选地由高强度钢制成，并且其外径小于螺钉锚固件200的内径。在各种实施方案中，心轴300可以具有可拆卸的尖端310，该尖端310的轮廓针对存在的特定土壤条件而成形，便于更换尖端而不会丢弃整个心轴。当螺钉锚固件200同时绕其旋转时，心轴300可被致动以施加向下的压力。替代地，心轴300可以施加锤击力。

在各个实施方案中，螺钉锚固件200的开放几何形状使得诸如心轴之类的工具能够在锚固件200中独立地操作，并在驱动完成之后被移除，仅将抵抗轴向力所需的那些部件留在地面中。如图5A和5B所示，在安装过程中，心轴300可插入螺钉锚固件200的顶端，沿其长度一直向下滑动，直至到达相对的地下端，并被致动以推动或锤击下方的地面。在各种实施方案中，并且如本文中更详细地讨论的，心轴300可以连接至单独的驱动器，该单独的驱动器在与通过螺钉锚固件200的质心的轴线重叠的轴线上对准。心轴300可以在被旋转时与螺钉锚固件200一起行进以防止土壤塞入螺钉锚固件200的中心。可替代地，心轴300可以向下推动螺钉锚固件前方，以帮助清理路径并在外螺纹形状210周围产生土壤张力。无论心轴持续施加向下的压力，往复运动还是锤击到下面的土壤中，都是这种情况。

随心轴往复运动，锤击或简单地向下推动，也可能使心轴移位和/或破碎行进路径中的较小岩石。没有这种作用，岩石和其他障碍物可能会导致拒绝和/或损坏螺钉锚固件200。在太阳能打桩领域，如果额外的驱动力未能导致进一步的嵌入，则会发生拒绝。通常，这表明桩撞击了岩石、水泥质土，或者在极端情况下撞击了坚实的基岩。通过利用心轴往复运动，锤击或下推，它的作用就像凿子一样，可以使小石头、埋藏的物体以及密实或水泥质土层破裂。在图7A-D的上下文中，这被更详细地示出和讨论。

转到图6A和6B，这些图示出了根据本发明的各种示例性实施方案的一对相邻的螺钉锚固件和使用这种螺钉锚固件的单轴跟踪器的桁架基础的安装的两个阶段。在图6A中，螺钉锚固件200彼此相邻地打入地面并以锐角(例如，小于90度)向内倾斜。在各种实施方案中，并且如这里所示，它们可以被驱动直到几乎完全嵌入，从而仅端部保持在地面之上。如图5A和图5B所示，可以通过本文所述的独特过程来驱动锚固件200，由此，通过旋转驱动器将扭矩和向下压力的组合，将螺钉锚固件200以期望的角度旋转到下面的土壤中，与此同时，心轴或其他工具通过螺钉锚固件被致动以辅助驱动。一旦两个螺钉锚固件200达到其各自的目标深度，便会附接地上部件。

在图6A和图6B的实施例中，将上支腿225插入连接部分220上方，以将每个螺钉锚固件200的主轴线基本朝着轴承座延伸。每个上支腿225的自由端通过适配器230接合在一起以形成整体的A形框架。在各种实施方案中，并且如这里所示，适配器230可以具有一对对称的连接部分，其顺着适配器向下延伸并远离适配器以匹配上支腿225的间距和角度。轴承组件(例如组件240)连接到适配器230的顶部，扭矩管245可旋转地捕获在轴承242内。

现在转向图7A-D，这些图示出了根据本发明的各种示例性实施方案的具有螺钉锚固件和用于驱动螺钉锚固件的系统的各种驱动情况。从图7A开始，在该图中，螺钉锚固件200被打入锚下面的支撑土壤中。在各种实施方案中，并且如本文所讨论和示出的，这通过旋转驱动器或螺钉驱动机来实现。基本上同时，当锚固件200沿着其路径行进时，通过螺钉锚固件200致动心轴300以抵靠土壤向下压，锤击和/或往复运动。在各个实施方案中，并且如图所示，心轴尖端310可以在被驱动时从螺钉锚固件200的地下端伸出。在一些实施方案中，它可以相对于锚固件200的下端停留在基本相同的位置，与锚固件200一起向下移动以移位土壤并增加锚固件螺纹周围的土壤压力。在其他实施方案中，心轴尖端B10可独立于桩施加向下的压力。如果旋转驱动器遇到过大的驱动阻力(例如，通过减少或停止向下行程或对旋转驱动器的过大阻力或二者兼有来指示)，则心轴300可能会部分缩回，以使尖端310不再从锚固件中伸出来，让污垢塞入末端，从而减轻阻碍驱动的土壤压力。压力的这种减小可以减小对旋转驱动器的阻力。重要的是，在将桩或接地螺钉拧入地面时，桩要继续向前移动，以免钻入孔或对孔进行挖心，这会降低桩对轴向力的抵抗力。

在驱动中的某个时刻，7A中的心轴尖端310遇到坚固的基岩，从而导致拒绝。在各种实施方案中，开始了独特的原位拒绝缓解过程，该过程以前在现有技术中使用传统的接地螺钉或使用H桩是不可能实现的。在各种实施方案中，拒绝条件可以由操作员或由自动反馈回路检测到心轴或锚固件未能有任何进一步的穿透而检测到。在各种实施方案中，操作员将从锚固件200上移除心轴，并用凿岩机(例如钻机400)来替换它。在一些实施方案中，凿岩机可以是致动心轴的相同驱动器的不同附件。在其他实施方案中，凿岩机可以是不同的机器，需要将心轴驱动器枢转或以其他方式移开以为凿岩机腾出空间。取出后，将心轴300替换为钻杆400和凿岩钻头410。将这些部件插入锚固件200的顶端，并使其穿过锚固件直至到达下方的基岩。在各种实施方案中，用于致动心轴的相同驱动器用于致动凿岩机。凿岩机可以由潜孔锤和钻头组成，该钻头使用压缩空气锤击锚固件200内的钻头。可替代地，凿岩机可以是顶锤，从而对轴400施加锤击作用，并且该力直接传递到凿岩钻头410。

如本领域中已知的，凿岩机通常使用加压空气来产生锤击作用并且将粉碎的岩石泥渣吹散。凿岩机的具体动作(例如锤击，旋转)部分取决于所用钻头的类型。例如，按钮式钻头通常单独采用锤击动作，而其他类型的钻头可能依赖于锤击和旋转切割的组合。

在各个实施方案中，凿岩机将继续其动作，直到在岩石中形成具有期望深度的空腔为止。该深度可以是固定螺钉锚固件所需的最小深度或原始目标深度。在任一种情况下，一旦将空腔装填，就将凿岩机移出，或至少部分地从锚固件200中撤出，以使其不会在锚固件200下方突出，并且啮合旋转驱动器以将锚固件驱动到新形成的空腔中。在各种实施方案中，螺纹上的锥形引入口将增加在锚固件200上施加扭矩和向下压力将其引导到空腔中的可能性。在一些实施方案中，螺钉锚固件200可以一直被驱动到空腔的底部，如图7C所示。这将取决于孔相对于锚固件的外径的尺寸，空腔的清洁度和无损性以及螺纹形状的几何形状和尺寸。在其他实施方案中，锚固件200可能不能被完全驱动到空腔的底部。这可能是由于盲目地下条件(例如，井眼的清洁度，井眼上方的土壤密度)或钻头410或螺纹的尺寸的结果。在任何一种情况下，仅可能将锚固件200的部分驱动到空腔中。在一些情况下，尽可能深地驱动锚固件200可以在锚固件螺纹与空腔的壁之间提供足够的啮合而无需额外的步骤。在各种实施方案中，这可以通过利用旋转驱动器或另一种工具以固定力向上拉起锚固件200来确认。在其他情况下，如果未在螺纹和空腔的壁之间实现足够的啮合，则可能需要其他步骤。

为此，可将钻杆400和钻头410从从动锚固件200中撤回，并且可将耦合器或诸如耦合器430之类的其他装置沿锚固件200下落，直到其到达空腔的底部。在各种实施方案中，耦合器430可以是一块钢筋或其他刚性材料，其足够小以适合于锚固件200内，但是又足够长以从空腔的底部延伸到锚固件200中。耦合器430的目的是将锚固件200与底层的岩石连接。一个或多个扶正器435或其他类似装置可用于在锚200的中心内以及在空腔中维持耦合器430的取向。在放置耦合器430之后，可以经由锚固件200的地上端注入一定体积的加压灌浆、环氧树脂或其他合适的材料440，以完全填充空腔并且围绕耦合器430以及锚固件200的包含耦合器的部分。一旦材料440凝固，锚固件200将牢固地联接至基岩。

图8示出了可与本发明的各种实施方案一起使用的带钻头的钻杆。取决于所使用的钻头的类型以及是否使用顶锤或底锤，可能有必要和/或希望使用机械能从锚固件200的轴上清除钻头产生的废料。为此，钻杆402包括一系列围绕其一些，大部分或全部长度的螺旋线。当杆沿正确的方向旋转时(在图中所示的示例性杆402中为顺时针方向)，这些螺纹将倾向于使材料向上移动并移出锚固件200的内部。还示出了在杆402的基部处的用于附接不同钻头的外螺纹部分405。应当理解的是，螺纹部分405仅是示例性的，并且仅意在表示可以从杆405移除尖端而无需丢弃整个杆。在其他实施方案中，可以替代地使用凹形开口、销连接、圆锥形螺纹或其他已知的紧固机构或其功能等同物。

现在转到图9A-C，这些图示出了可以与本发明的各种实施方案一起使用的几个不同的钻头。第一钻头，钻头410A是十字钻头或十字岩石钻头。它由四个以十字图案定向的凸起凿式刀片组成。这种类型的钻头通常由钢制成，刀刃涂有钛，或者由硬化钢或硬质合金制成。钻头可以被锤击并旋转，以凿击和刮擦岩石，同时通过四个刀片之间的空间将废料排空。图9B示出了三锥牙轮钻头410B。三锥牙轮钻头具有三个覆盖有钢或硬质合金切削齿的圆锥形旋转轮，它们通过轴承连接固定在固定头上。随着钻头的旋转，这些圆锥体沿着钻孔的底部滚动，并以圆形的方式从下面的岩石上切下。钻头上的向下压力有利于切割。这种钻头通常用于水、天然气和石油的勘探和开采。用压缩空气或流体在钻头中心的圆环上抽出废料。9C所示的最后的钻头是敲击式锤头410C。锤头不锋利，不使用切削作为主要的钻孔机制。而是在钻头表面嵌入了一系列淬硬的硬质合金纽扣。在旋转过程中，柄碰到钻头头部内的铁砧或撞击表面，导致纽扣将其接触的任何岩石粉碎，而旋转和压缩空气将碎屑扫出并进入碎屑通道，以便下次撞击再次打击原始岩体。图9A-C中所示的任何钻头，或任何其他可商购的或直到尚未开发的钻头都可以与本发明的各种实施方案一起使用。

在需要钻孔的某些情况下，可能希望钻出的空腔的外径比基桩大。例如，为了产生足够宽的腔以至少部分地接受螺钉锚固件200的螺纹端210。为此，图9C中的钻头410C是一种能够钻出比其插入其中的套管更大直径的孔的钻头。这种技术通常用于钻探和外壳应用中，在这些应用中，钻孔的直径需要大于套管的直径，以允许在管的外径周围喷出废料，以及由于其他原因。钻头410C通过一个或多个可展开的翼(在图中标记为“W”)来实现此目的，一旦钻头脱离锚固件，该翼可扩大钻头的切割直径。当钻头410C最初插入端部螺钉锚固件200中时，一个或多个翼部凹入以与钻头的外表面齐平。这可以通过机械方式完成，也可以由操作员在将钻头插入锚固件时压缩它们来完成。当钻头从另一端露出时，翼不再受到锚固件内表面的压缩，因此它们在弹簧作用下或通过其他展开机构膨胀到其松弛位置，从而增加了钻头的切削直径。在各种实施方案中，可以在翼的切削表面(例如，垂直于钻孔方向的表面)上形成附加的硬质合金纽扣。在各种实施方案中，如果翼是弹簧加载的，则来自岩石的阻力将趋向于将它们挡在外面，即处于扩展取向。一旦达到所需的深度，并且将钻头和钻杆拉回到锚固件的底端，从锚固件开口向一个或多个翼背面施加的压力会将它们推回到凹进位置，从而减小钻头的外径,允许将其拉出锚固件。应当理解，还有各种其他钻头可用于底切钻孔，包括被故意偏移的那些，使得一旦它们开始旋转，它们就绕着较大直径的圆扫掠。

与导致拒绝的水泥质和/或岩石质土壤相反，某些土壤的结构可能是如此松散，以至于它们对驱动的抵抗力很小，但同时却缺乏抵抗拉伸和压缩轴向力的能力。在这样的土壤中，单独的螺纹锚固件200可能需要更多的正交表面积以提供所需的阻力。为此，图14A-C示出了根据本发明的各种实施方式的螺旋螺母，其可以与诸如图13中的螺纹锚固件200的螺纹锚固件一起使用以增加锚固件抵抗这种土壤中的轴向力的能力。从图14A和B开始，这些图示出了根据各种示例性实施方案的螺旋螺母270。如图所示，螺旋螺母270包括主体部分272和螺旋线274。如在图14B的剖视图中所见，主体部分272的内部是带螺纹的。在各种实施方案中，这些螺纹的深度和螺距将与锚固件200上的外螺纹210的螺距和深度相匹配。这将使螺旋螺母270能够旋转到锚固件200上，直到螺纹形式的锥形引入口比螺旋螺母270中的内螺纹深度更远。当在附接了螺旋螺母270的情况下将锚固件200打入地下时，锚固件的顺时针旋转将加强而不是放松螺母270与螺纹部分210之间的连接。螺旋274的外径可以实质上增加了正交表面积的量，形成了抵抗拉出的圆柱或圆锥，并且在锚固件200被驱动之后很难进一步压缩锚固件200。

图14C示出了根据本发明的各种示例性实施方案的可与螺钉锚固件一起使用的螺旋螺母的另一实施方案。14C的螺母280由带螺纹的固定螺母282和单独的螺旋280组成。在各个实施方案中，螺旋280的螺距与螺纹部分210上的螺纹螺距相匹配，并且中心开口略大于锚固件200的外径，因此螺旋280可以被拧到锚固件200上到期望的位置。然后，带螺纹的固定螺母282，其优选地具有与螺旋螺母272的螺纹基本匹配的螺纹，即，具有与螺纹部分210相同的螺距和深度的螺纹，使得固定螺母282也可以被螺纹连接到螺纹部分210上以抵住所需位置的外螺纹按压螺旋285并在那里将其捕获。可以以与本文所述相同的方式来驱动所得的螺旋形螺钉锚固件。

到此为止，本发明集中于螺钉锚固件和用于驱动螺钉锚固件的技术。本公开的其余部分将集中在根据本发明的各个实施方案的在通过螺钉锚固件致动心轴或凿岩机的同时将螺钉锚固件驱动到支撑地面中的示例性机器和操作机器的方法上。应当理解，这些附图中所示的机器仅是示例性的，并且应考虑到它们相对于驱动螺钉锚固件的功能性，而不是如图中所示的物理特性。在保持本发明的各种实施方案的精神和范围的同时，不同的物理实施方案是可能的。

转向图10A和1B，这些图分别示出了根据本发明的各个实施方案的用于驱动螺钉锚固件的示例性机器600的侧视图和前视图。如图所示，机器600包括跨接在履带底盘610上的主体605。应当理解，机器600可以替代地具有轮胎，轮胎和履带的组合，一个或多个浮动浮筒，轨道或其他已知装置。如图所示，机器600具有安装至关节运动臂620的端部的附件，附件500。在各种实施方案中，关节运动臂620是主机的一部分，并且可以从收起位置移动大约90度的弧度到使用位置，在收起位置，臂基本上垂直于地面，在使用位置，臂基本上平行于地面。在各种实施方案中，关节运动臂620的端部还能够绕其轴线旋转一定角度范围(例如，与竖直方向成±35度)，从而可以以非垂直角度将螺钉锚固件打入地面。通过允许其至少在东西方向上补偿不平坦的地形，这也使螺钉锚固件驱动轴线与机器的取向脱开。替代地，旋转器可以位于臂620的端部，使得整个臂不必旋转以旋转附件500。在各种实施方案中，关节运动臂620的端部利用基本上垂直于关节运动臂620的主轴线支撑驱动附件500。因此，当臂620处于收起位置时，附件500将基本平行于地面，从而使其高度最小，而当臂620处于使用位置时，驱动附件500将基本垂直于地面。

如在图10A/10B的实施例中所示，附件500包括框架510，该框架510用作支撑旋转或螺钉驱动器550和心轴驱动器520的脚手架，并为它们提供共同的轴线以沿其运动。在各种实施方案中，框架510包括通过横向构件互连的一对平行的侧构件510A/B。该配置仅是示例性的。可以使用各种桁架和/或加强的支撑件、梁和横向构件来提供所需的刚度和强度。框架510还可包括一个或多个轨道，心轴驱动器和旋转驱动器在轨道上行进以将其运动限制为仅轴向运动。一个或多个轨道可以位于平行的侧构件510A/B之间，或者可替代地，如图所示，可以附接到侧构件510A/B。在另外的替代方案中，心轴驱动器520和旋转驱动器550可在形成在平行侧构件510A/B中的凹部内的轮子上行进。用于将沿运动限制到沿附件500的单个轴的特定机制是一种设计选择。

在各种实施方案中，可使用一个或多个链接的驱动链条和相应的电动机组件来使心轴驱动器520和旋转驱动器550沿着一个或多个轨道运动。在各种实施方案中，它们可以彼此独立地移动。在其他实施方案中，它们可以一起移动。在另外的实施方案中，两种模式都是可能的。例如，在驱动时，旋转驱动器550将施加扭矩，而电机驱动链条515会产生向下的力，该力通过旋转驱动器550传递到锚固件。因此，从螺钉锚固件的角度来看，旋转驱动器正在施加扭矩和轴向力，甚至轴向力的来源也可能是驱动链条的电动机。类似地，心轴驱动器520可以对心轴300施加锤击作用，然而，轴向下力也可以来自电动机驱动链条515，其进而将心轴驱动器520向下拉。但是，该力通过心轴驱动器传递到心轴，因此从心轴的角度来看，这两个轴向力(锤击和向下的压力)均来自心轴驱动器。

在各个实施方案中，旋转驱动器550可以以本领域中已知的方式通过电流或通过液压致动来提供动力。类似地，心轴驱动器520可以由压缩空气、电流或液压致动来提供动力。心轴驱动器520可以是用于产生向下力和/或锤击力的液压漂移器或其他合适的装置。在各种实施方案中，并且如图所示，心轴驱动器520和旋转驱动器550可以在一个或多个轨道的方向上同心地定向在框架上，使得心轴300的轴可以穿过旋转驱动器550并且在驱动器550将螺钉锚固件旋转到地面中时在驱动器550中上下移动。以这种方式，心轴300的尖端310可以在螺钉锚固件200的前面操作，突出于其底部(地面下)开口之外，以清除螺钉锚固件200及其前方的路径。这还可以在心轴与驱动器520分离后允许心轴300通过旋转驱动器掉落，以进行维修和/或更换，而无需完全拆卸附件500。

继续参考10A和图10B，示例性机器600具有主体部分605，该主体部分605安置在履带底盘610上，该主体部分605容纳机器的汽油发动机或电动机，燃料箱或动力电池，液压系统，必要时的配重以及控制接口。机器600还可以具有用于向气锤或其他设备供应加压空气的空气压缩机和空气管线，用于将动力机械传递至外部装置的取力器，用于向附件500提供电力的电气连接，以及用于将液压流体传递到附件500、心轴驱动器520和/或旋转驱动器550的一个或多个液压接口。在图10A/B的实施例中，关节运动臂620远离机器的一端(例如，前部或后部)伸出，其作用为附件支撑物。在其他实施方案中，它可以从任一侧突出。在另外的实施方案中，臂620可以安装在可旋转的转塔上，该转塔可以围绕被跟踪的底盘610完全围绕竖直轴线旋转至任何径向取向。附件500的任一侧上的图10B中的虚线示出了附件如何围绕旋转点旋转以将螺钉锚固件以一定角度驱动到地面中。

图11是心轴驱动器520和旋转驱动器550的特写视图。为了便于说明，已经有意地省略了附件和机器。在这里示出的示例性配置中，心轴B00经由销连接件521附接到心轴驱动器520。如本文所述，在各种实施方案中，这可以通过移除销并允许心轴300在重力作用下掉落通过旋转驱动器550来简化心轴300的移除。在各种实施方案中，一个或多个轴承(例如轴承552)位于旋转驱动器550的上方和下方，以限制心轴300的运动并防止其损坏旋转驱动器550。旋转驱动器550可以具有旋转头部，例如头部555，卡盘或其他将扭矩和向下压力传递到螺钉锚固件200的装置。图11底部的局部剖视图显示了心轴300在螺钉锚固件200中的装配。在此示例性的图中，通过链条和驱动电动机使链条移动促进旋转驱动器550和心轴驱动器520的运动。在各种实施方案中，旋转驱动器550固定至链条515，而心轴驱动器520附接但能够与链条515分离以独立运动或保持在适当位置。应当理解，代替链条，可以使用两个或更多个液压致动器来沿旋转驱动器550的行进轴线推动和拉动旋转驱动器550，并使心轴驱动器520随行或独立于行进。产生下压力的具体方式以及旋转驱动器550和心轴驱动器520沿其轴线行进的方式是一种设计选择。

如本文中所论述，相对于常规的接地螺钉，在驱动时通过螺钉锚固件致动工具的能力是主要优点。这是可能的，因为螺钉锚固件的两端都是开放的。通过更少而不是更多的制造步骤来实现端部开放，从而可以实现更便宜和更不耗能的制造过程。这些工具可以模仿接地螺钉尖端的功能和优点，这些都在驱动过程中实现，同时由于在驱动之后将尖端移除，因此可以提供更好的每单位长度的拔出力和抗压性。为此，取决于如何将扭矩施加到螺钉锚固件，心轴可能有必要直接穿过旋转驱动器。图12示出了用于完成此操作的一个组件，但是，应当意识到，有许多可能的方法可以做到这一点。

图12是根据本发明的各个实施方案的传动系和齿轮组件堆的局部分解图，其允许心轴300在旋转驱动器550内致动而不影响其操作。如图所示，在其顶端，输出齿轮551机械地联接到电动或液压电动机的输出轴。它可以直接耦合到输出，也可以通过变速箱或其他减速齿轮组件(未显示)耦合，以提供更大的机械优势。输出齿轮551与由从动部分553和驱动部分554组成的两部分驱动齿轮552同步。在各个实施方案中，驱动部分554被花键连接以与作为行星齿轮组件575的中心的太阳齿轮576中的花键接合。行星齿轮组件575由位于壳体570内部的环形齿轮571构成，该环形齿轮571保持行星齿轮577绕太阳齿轮576为轨道而旋转。当驱动齿轮551旋转驱动齿轮的从动部分553时，驱动部分554将太阳齿轮576旋转到位。太阳齿轮576驱动行星齿轮577，在这种情况下为四个行星齿轮，以在环形齿轮571内旋转。行星齿轮架580通过轴承附接到每个行星齿轮577的中心，以产生用于旋转驱动器的输出动力。行星齿轮架580包括与花键驱动头582配合的花键毂581。卡盘或驱动板(例如，图11中的驱动板554或图12中的驱动卡盘555)连接到花键驱动头582，以将扭矩传递到螺钉锚固件的头部。尽管现在示出，但是一个或多个轴承轴环可以定位在心轴300进入并存在旋转驱动器550的壳体570的位置处，以将其运动限制为轴向运动而不会影响旋转驱动器的运动。

本发明的实施方案的范围不受本文描述的具体实施方案的限制。实际上，除了本文描述的那些之外，根据前述描述和附图，本发明的实施方案的各种修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的。因此，这样的修改旨在落入所附权利要求的范围内。此外，尽管本文已经为了实现特定目的而在特定环境中在特定实现方式的上下文中描述了本发明的一些实施方案，本领域普通技术人员将认识到，其用途不限于此，并且可以出于任何目的在任何数量的环境中有利地实现本发明的实施方案。因此，应鉴于本文所公开的本发明的实施方案的全部宽度和精神来解释以下阐述的权利要求。

Claims (17)

1.螺钉锚固件：

具有第一端和相对的第二端的细长构件；和

从所述第一端开始并沿着所述细长构件的部分延伸的螺纹形式，其中在所述细长构件的内径保持基本恒定时，所述螺纹形式的轮廓随着沿所述细长构件的主轴线行进远离所述第一端而增加。

2.根据权利要求1所述的螺钉锚固件，还包括靠近所述第二端以使得能够与旋转驱动器啮合的至少一个驱动特征。

3.根据权利要求2所述的螺钉锚固件，其中，所述至少一个驱动特征包括用于驱动并联接至上支腿的套环。

4.根据权利要求1所述的螺钉锚固件，还包括从第二端到第一端延伸穿过所述细长构件的工具。

5.根据权利要求4所述的螺钉锚固件，其中，所述工具包括选自由以下组成的组的工具：心轴，顶锤和潜孔锤。

6.根据权利要求4所述的螺钉锚固件，还包括螺纹连接在所述螺纹形式上的螺旋螺母，所述螺旋螺母具有与所述所述螺钉锚固件的主轴线基本正交的螺旋。

7.螺钉锚固件组件，包括：

具有第一端和相对的第二端的空心轴；和

从所述第一端开始从所述空心轴的外表面突出的螺纹形式，该螺纹形式包括外径增加的第一部分和外径基本均匀的第二部分。

8.根据权利要求7所述的螺钉锚固件组件，还包括靠近所述第二端的至少一个驱动特征。

9.根据权利要求7所述的螺钉锚固件组件，还包括从所述第二端到所述第一端延伸穿过所述空心轴的工具。

10.根据权利要求9所述的螺钉锚固件组件，其中，所述工具选自由以下组成的组：心轴，顶锤和潜孔锤。

11.根据权利要求10所述的螺钉锚固件组件，还包括通过启动所述工具穿过所述空心轴而在位于地下的岩石中形成的空腔，所述空腔具有基本恒定的内径，该内径小于所述螺纹形式的基本均匀的外径。

12.用于桁架基础系统的第一部件，包括：

细长的空心轴，该空心轴的两端均开放，该轴具有基本上均匀的圆形横截面内径；和

从轴的第一端开始并且围绕空心轴并沿着空心轴延伸的外螺纹形式，其中，所述螺纹形式包括轮廓逐渐增大的部分和轮廓均匀的部分。

13.根据权利要求12所述的第一部件，还包括在所述轴的第二端处的至少一个驱动特征。

14.根据权利要求12所述的第一部件，还包括在所述轴的第二端处用于与第二部件连接的连接特征，所述第二部件基本上延伸第一部件的细长轴的主轴线。

15.根据权利要求14所述的第一部件，其中，所述第二部件包括上支腿。

16.根据权利要求12所述的第一部件，还包括从所述第二端到所述第一端延伸穿过所述空心轴的工具。

17.根据权利要求15所述的第一部件，其中，所述工具选自由以下组成的组：心轴，顶锤和潜孔锤。

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